ПР №7 Процеси сорбції та екстрагування

Практична робота №7

Тема: ПРОЦЕСИ СОРБЦІЇ ТА ЕКСТРАГУВАННЯ

Мета: ознайомитись з основними процесами сорбції (абсорбцією, адсорбцією, десорбцією) та екстрагування в харчовому виробництві та апаратами, в яких вони проводяться.

Матеріальне забезпечення: опорні конспекти; зразки продукції: чай, кава, окріп, газована мінеральна вода, сік.

Загальні та теоретичні положення:

Абсорбція. Якщо поглинання абсорбтива здійснюється шляхом його розчинення в абсорбенті, то такий процес називається фізичною абсорбцією. Коли розчинення абсорбтива супроводжується хімічною реакцією між ним і абсорбентом, то цей процес називається хемосорбцією. Компоненти газової (парової) суміші, що абсорбуються, називаються абсорбтивом, рідкий поглинач – абсорбентом, частина газової (парової) суміші, що не абсорбується – інертом. Фізична сутність процесу абсорбції полягає в розчиненні газів у рідині, що залежить від властивостей абсорбенту і абсорбтиву, парціального тиску газу, або окремого компонента в газовій (або паровій) суміші, що розчиняється, а також від температури процесу. Розчинність газів у рідини підвищується з підвищенням тиску і зниженням температури. Апарати, призначені для проведення абсорбційних процесів називають абсорберами. За способом утворення поверхні контакту фаз між газом і рідиною розрізняють три основні групи абсорберів:

1. апарати, в яких поверхня контакту утворюється в процесі руху потоків рідини і газу;

2. апарати, в яких газ і рідина стикаються на поверхні, що створюється тілами тієї або іншої форми (фіксованою поверхнею);

3. апарати, в яких контакт між фазами створюється за допомогою механічного впливу на фази.

Розрахунок абсорберів полягає у визначенні витрати абсорбенту, гідравлічного опору, діаметра і висоти апарата. При цьому відомі витрата газу, склад, початкова і остаточна концентрації газової суміші, початкова концентрація газу в абсорбенті.

Адсорбція. Розрізняють суто фізичну адсорбцію та хемосорбцію. Явище адсорбції зумовлене силами взаємодії, що виникають між молекулами адсорбтиву і адсорбенту на поверхні поділу фаз. Кількість речовини, адсорбованої на поверхні твердого адсорбенту, зростає прямо пропорційно величині поверхні контакту. Адсобція прискорюється при зниженні температури і підвищенні тиску. Адсорбенти, які використовуються в харчових виробництвах, повинні мати такі основні властивості: вибірність (селективність), максимальну адсорбційну ємність (активність), спроможність гранично десорбуватися (необхідно для регенерації адсорбенту), здатність володіти хімічною інертністю за відношенням до речовин, які поглинаються, достатню міцність гранул, низьку вартість. Як адсорбенти в харчовій технології широко використовують активне вугілля, силікагелі, алюмогелі, цеоліти, глини та інші природні матеріали. Процес адсорбції в промисловості здійснюється двома способами: 1)змішуванням адсорбенту з продуктом, що оброблюється і подальшого розподілу їх на центрифугах або фільтрах; 2) фільтруванням продукту, що оброблюється, через шар адсорбенту. Залежно від характеру шару адсорбенту в цьому випадку апарати для проведення процесу адсорбції поділяють на три групи: з нерухомим шаром адсорбенту; з рухомим шаром; з "киплячим" шаром.

Найбільше застосовуються в харчовій промисловості апарати періодичної дії з нерухомим шаром адсорбенту. Робочий цикл такого адсорбера складається з чотирьох стадій: власне адсорбції, десорбції, сушіння адсорбенту і його охолоджування. Адсорбер (рис. 1) являє собою вертикальну колону 1 діаметром до 1,2 м і висотою до 10 м, заповнену гранульованим адсорбентом. Колону обладнано решіткою 4, завантажувальним люком 2 і розвантажувальним люком 5. Вихідна суміш (наприклад, цукровий сироп) пропускається через шар адсорбенту; при цьому поглинаються відповідні компоненти суміші. Обезбарвлений сироп проходить крізь контрольний тканинний фільтр 3, в якому затримуються частинки адсорбенту, захоплені потоком. Після насичення адсорбенту стадія адсорбції припиняється, і адсорбент повинен бути регенерований. Для регенерації через шар насиченого адсорбенту пропускають водяну пару, інертний газ, розчинник та ін.. Після десорбції адсорбент просушується і охолоджується.

Десорбція – це виділення поглинутого компонента з розчину (абсорбенту) або з поверхні твердого адсорбенту. Десорбційні процеси застосовуються для відновлення поглинальних властивостей аб- і адсорбентів з метою їхнього повторного використання, а також для добування з них аб- і адсорбтивів з метою їхньої подальшої переробки. Десорбція проводиться такими основними способами: підвищенням температури сорбентів; зниженням загального тиску в системі або парціального тиску сорбтивів, продуванням нагрітим газом або перегрітою парою, витисненням поглинутих компонентів іншою речовиною, що має вищу поглинальну здатність, але легко після цього видаляється одним з простих способів десорбції. Як десорбуючий агент найчастіше використовують водяну пару.

Екстракція. За агрегатним станом розрізняють екстрагування в системі тверде «тіло – рідина» і «рідина – рідина»; останнє в харчовій технології майже не трапляється. Як екстрагенти застосовують воду, спирт і водно-спиртові суміші, зріджений вуглекислий газ, жир і різноманітні органічні розчинники – чотири хлористий вуглець, дихлоретан, бензин та ін.

Екстрагування в системі «тверде тіло – рідина» – це складний процес, який включає чотири стадії:

1. дифузія розчинника (екстрагента) в пори твердого тіла;

2. розчинення цільового компонента (або декількох компонентів);

3. перенесення екстрагованої речовини в капілярах усередині твердого тіла до поверхні поділу фаз (внутрішня дифузія);

4. перенесення екстрагованої речовини в рідкому розчинникові від поверхні поділу фаз через пограничну плівку в ядро потоку екстрагента (зовнішня дифузія).

На ефективність процесу екстрагування з рослинної сировини (швидкість екстрагування) впливають наступні фактори: правильний вибір розчинника, подрібнення твердої сировини до оптимального розміру, створення оптимальних температурних умов, створення підвищеного тиску, ефективної гідродинамічної обстановки процесу, оптимальне співвідношення розчинника й сировини, що надходять на екстрагування, дотримання умов оптимальної тривалості процесу екстрагування.

Апарати, в яких здійснюється процес екстрагування, називаються екстракторами. Для проведення екстракції в системі «тверде тіло – рідина» - застосовують три способи взаємодії фаз (рис.2): контакт у замкненому об'ємі, фільтрування рідини через нерухомий шар пористих частинок (перколяція); протитечійна взаємодія твердих частинок з рідиною.

Для приготування кави застосовують різноманітного виду кавоварки, які працюють за принципом однократного і багатократного фільтрування киплячої води через шар меленої кави (рис. 3). Кипляча вода з паровими бульбашками з кип′ятильника 1, що обігрівається електронагрівачами 7, по циркуляційній (фонтануючій) трубці 6 спрямовується вгору, ударяється об відбивач 5 і рівномірно омиває мелену каву, розташовану на сітці 4. При цьому вона екстрагує з кави харчові та ароматичні речовини і стікає в нижню частину резервуара 3. Розбір отриманого напоню здійснюється через патрубок 2. У експрес-кавоварках ароматичні екстрактивні речовини екстрагують окропом, що проходить під тиском через шар меленої кави.

Хід роботи:

1. Ознайомитись з опорним конспектом і загальними та теоретичними положеннями.

2. Складіть схему класифікації абсорберів.

3. Зобразити схему колонного адсорбера, позначити основні конструктивні елементи, навести принцип дії.

4. Зобразити схематично три способи взаємодії фаз при проведенні екстракції в системі «тверде тіло – рідина».

5. Зобразити схему фонтануючої кавоварки, позначити основні конструктивні елементи, навести принцип дії.

6. Залити окропом пакетик чаю. Який процес при цьому відбуваєтсья?

Контрольні запитання:

1. Що називається абсорбцією? Які бувають види абсорбції? Де вона використовується?

2. В чому полягає розрахунок абсорберів? Які величини відомі, а які треба визначити?

3. Що таке адсорбція? Які вимоги висуваються до адсорбентів? Які речовини використовують як адсорбенти? Як можна прискорити адсорбцію?

4. Два способи здійснення процесу адсорбції у промисловості.

5. З який стадій складається робочий цикл адсорбера періодичної дії з нерухомим шаром адсорбенту?

6. Що таке десорбція? Для чого вона використовується?

7. Що таке екстракція? Види екстракції. Які речовини використовують як екстрагенти?

8. З яких стадій складається процес екстрагування в системі «тверде тіло – рідина»?

9. Які факотори впливають на ефективність процесу екстрагування?

Прикріпити написану ПР